Comparative study on sulfur infiltration methods for metal-sulfur batteries

Kurzfassung

In einer Metall-Schwefel-Batterie besteht die Kathode aus einem Komposit aus Aktivkohle und Schwefel, welches als elektrochemisch aktives Material dient. Um die Poren der Aktivkohle mit Schwefel zu füllen, werden sowohl die Schmelz- als auch die Gasinfiltration verwendet. Der Gesamtprozess mit Heiz- und Kühlphasen ist sehr zeit- und energieintensiv. Außerdem können in den bisher etablierten Prozessen nur sehr kleine Mengen an Probe in einem Batch-Prozess verarbeitet werden. Für die Verarbeitung von großen Mengen steigt der Aufwand so stark, dass die Prozesse nicht ökonomisch durchführbar sind. Um die Herstellung von Schwefel-Kohlenstoff-Kompositen zu optimieren, werden Infiltrationsmethoden benötigt, welche den Materialdurchsatz erhöhen und die Dauer sowie den Energieverbrauch verbessern. Dazu werden verschiedene Infiltrationsmethoden verwendet und auf ihre Performance hin untersucht. Schwefel wird mit Hilfe von verschiedenen Infiltrationsmethoden in mikroporösen Kohlenstoff eingebracht. Die verwendeten Methoden beruhen sowohl auf der Schmelz- als auch auf der Gasinfiltration. Es werden kontinuierliche Industrieprozesse, sowie schnelle Batchprozesse betrachtet und mit den Prozessen im Labormaßstab verglichen. Die untersuchten Methoden zur Schwefelinfiltration wurden mit einem Kohlenstoff-Aerogel durchgeführt, welches ein Mikroporenvolumen von 0,27 bis 0,45 cm³/g aufweist. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass mithilfe von Gas-, Extruder- und Schmelzinfiltrationen die höchsten Schwefelbeladungen erreicht werden konnten, wobei der Schwefel überwiegend in den Mikroporen vorliegt. Die Komposite hergestellt mit Gas [1]- und Extruderinfiltrationen [3] weisen gute Zyklenstabilität und hohe Entladekapazität auf. Im Vergleich dazu, zeigten offene Gasinfiltration, Mikrowelleninfiltration [2] und Infiltration im Lösungsmittel geringe Schwefelbeladungen, sowie eine unzureichende Performance in der Zelle. Die Ergebnisse sind in Abb. 1 zusammengefasst. Unsere Studie zeigt, dass bei der Auswahl der Infiltrationsmethoden folgende Parameter berücksichtigt werden sollen: - Eigenschaften (Porosität, Porenvolumen und Porengrößen) des Kohlenstoffmaterials - Energie-, Ressourcen- und Zeitbedarf - Transfermöglichkeiten von Laborzelle bis hin zur Batterieproduktion - Batteriesystem (Anodenmaterial, Elektrolyt, Separator) - Substitution und Kombination von Prozessschritten Abhängig von den Anforderungen an die Batterie kann die Infiltrationsmethode zwischen aufwendigen, nicht aufskalierbaren mit herausragender Performance und ökonomisch effizienten mit moderater Leistung ausgewählt werden.